Попередні підсилювачі

 

22 квітня 2021р.

Предмет: Радіоелектроніка та основи телебачення.

Урок 44, 45, 46, 47: Попередні підсилювачі звукових частот. Диференційні і операційні підсилювачі. Загальна схема випрямляча. Принцип роботи і характеристики випрямних схем.

Попередні підсилювачі звукової частоти.

1. Підсилювачі на біполярних транзисторах.

      Основними елементами схеми (рис.1.) є джерело живленняЕ_к, керований елемент – транзистор VT і резистор R_к. Ці елементи утворюють головне коло підсилювального каскаду, у якому за рахунок колекторного струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми. Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатори С_р1, С_р2 є розділовими. Конденсатор С_р1 виключає шунтування вхідного кола каскаду колом джерела вхідного сигналу за постійним струмом. Функція конденсатора С_р2 зводиться до пропущення в коло навантаження змінної й затримці постійної складовій напруги.

Рис.1. Схема підсилюючого каскаду на біполярному транзисторі із загальним емітером.

Резистори R1, R2 призначені для завдання режиму спокою каскаду. Оскільки біполярний транзистор керується струмом, то струм спокою в колі колектора I_к.сп створюється завданням відповідної величини струму бази спокою I_б.сп. Резистор R1 призначений для створення кола протікання струму I_б.сп. Разом з R2 резистор R1 забезпечує необхідну напругу на базі U_R2щодо затискача «+ Е_к» джерела живлення.

Робота підсилювального каскаду супроводжується зміною його температурного режиму. Причин тому дві: теплова дія струму колектора й температура навколишнього середовища. Обидві причини ведуть до зростання струму спокою I_к.сп, а відповідно й струмів I_е.сп, I_б.сп. У результаті змінюються параметри режиму спокою, що приводить до появи нелінійних викривлень. Таким чином, підсилювальний каскад з ЗЕ потребує температурної стабілізації положення робочої точки (зменшенні впливу температури на початкове положення робочої точки). Із цією метою в емітерне коло уведений резистор R_е, на якому створюється напруга від'ємного зворотного зв'язку (ВЗЗ) за постійним струмом U_Rе.

Зростання струму колектора I_к.сп веде до збільшення струму емітера I_е.сп, що приводить до росту падіння напруги U_Rе, у результаті чого зменшується напруга U_бе.сп відповідно зменшується струм бази I_б і струм колектора I_к. Таким чином, струм спокою колектора залишається практично незмінним при зміні температурного режиму підсилювального каскаду.

В активному режимі на резисторі R_е падає напруга, викликана протіканням як постійного, так і змінного струмів. Це приводить до зміни напруги U_бе.сп − з'являється ВЗЗ за змінним струмом. Для її усунення резистор R_е шунтуєтся конденсатором С_е, опір якого на частоті посилюваного сигналу малий, внаслідок чого змінний струм і_е протікає через конденсатор, а постійний струмI_е.сп − через резистор R_е. 

2.Підсилювачі на польових транзисторах.

    Основними елементами підсилювального каскаду на польовому транзисторі з керуючим p-n переходом (рис.2.) є джерело живлення Е_с, транзистор VT і резистор R_с. Навантаження підключене через роздільний конденсатор С_р2 до стоку транзистора.

Рис.2. Схема підсилювача на польовому транзисторі з керуючим p-n переходом і загальним витоком.

Інші елементи каскаду виконують допоміжну роль. РезисториR_з, R_в призначені для завдання напруги спокою U_зв.сп. Також резистор R_в створює в каскаді негативний зворотний зв'язок за постійним струмом, що необхідно для температурної стабілізації режиму спокою. Конденсатор С_в призначений для виключення зворотного від’ємного зв’язку за змінним струмом. Розділовий конденсатор С_р1 забезпечує зв'язок каскаду з джерелом вхідного сигналу.

     Призначення більшості елементів схеми підсилювального каскаду (рис.3.) аналогічно призначенню елементів схеми (рис.2.). Дільник напруги R1R2 призначений для завдання необхідної напруги спокою U_зв.сп.

Рис.3. Схема підсилювача на МДП-транзисторі з індукованим каналом і загальним витоком.

Дільник R1R2 повинен мати досить високий опір, щоб не знижувати вхідний опір підсилювача й не шунтувати джерело вхідного сигналу за змінним струмом.

 Операційні підсилювачі.

     Операційний підсилювач (ОП) – це підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений колом ВЗЗ, що визначає основні якісні показники й характер виконуваних підсилювачем операцій.

Назва цих підсилювачів пов'язана із застосуванням головним чином для виконання різних операцій над аналоговими величинами (алгебраїчне додавання, вирахування, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування й ін.). Вони застосовуються в підсилювальній техніці, пристроях генерації сигналів синусоїдальної й імпульсної форми, у стабілізаторах напруги, активних фільтрах тощо.

Операційний підсилювач має інтегральне виконання у вигляді мікросхеми (ІМС) і виконаний за складною схемою, до складу якої може входити декілька десятків транзисторів і інших елементів. У більшості випадків немає необхідності знати їх внутрішню структуру – досить знання їх основних характеристик і принципів роботи.

Повна умовна позначка ОП (рис. 6.7, а) відповідно до ГОСТ 2.759-82 складається з трьох полів – основного (шириною не менш 10 мм) і двох додаткових (не менш 5 мм), розташованих по обидві сторони від основного. В основному полі вказується функція, яку виконує підсилювач ( ►) і його характеристики (∞). Призначення виводів позначається мітками в додаткових полях (+U, -U, ⊥, FC, NC). Іноді мітки в спрощеному варіанті позначення ОП опускаються. Літерне позначення ОП на принципових схемах – DA.

До прийняття ГОСТ 2.759-82 засновувалося умовне позначення ОП у виді рівностороннього трикутника, подібно позначенню, що використовується на закордонних схемах (рис. 6.7, б, в).

Рис. 6.7. Умовні позначення операційного підсилювача.

Один з входів підсилювача називається інвертуючим, інший – неінвертуючим. При подачі сигналу на неінвертуючий вход, приріст вихідного сигналу співпадає за знаком (фазою) з приростом. Якщо ж сигнал поданий на інвертуючий вхід, то збільшення вихідного сигналу має зворотний знак (протилежний за фазою) у порівнянні зі збільшенням вхідного сигналу. Інвертуючий вхід часто використовують для введення в ОП зовнішніх ВЗЗ

Живлення ОП здійснюється від двох джерел +U1 і –U2 з однаковою напругою, що утворюють двополюсне живлення. Джерела живлення мають загальну точку ⊥.

Виводи FС призначені для корекції АЧХ підсилювача – до них підключається коригувальне RC-коло. Для установки вихідної напруги ОП в нуль при відсутності вхідних напруг призначені виводи NC – до них підключають потенціометр.

ОП є диференціальним підсилювачем постійного струму із двома входами, тобто вихідна напруга пропорційна різниці (difference – різниця, англ.) напруг між його входами

                                     U₀ = U_вх1 – U_вх2.

Термін «постійного струму» означає, що ОП підсилює сигнал частотою від 0 Гц. Верхня частота посилюваних сигналів залежить від багатьох факторів – частотних характеристик транзисторів, що входять в ОП, коефіцієнта підсилення тощо.

ОП має дуже великий вхідний опір – десятки-сотні МОм, тобто ОП практично не впливає на джерело вхідного сигналу. Тому можна вважати, що вхідний струм ОП відсутній – це перше правило аналізу схем з ОП.

Основні характеристики OП наведені на рис. 6.8. Кожна з передатних характеристик (рис. 6.8, а) складається з горизонтальних і похилого ділянок. Горизонтальні ділянки відповідають режиму насичення підсилювача. При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається без зміни й визначається напругами U_+вих.max і 
U_-вих.max, які близькі до напруги джерел живлення

                  |U_+вих.max| = |U_-вих.max| ≈ (0,9...0,95)U₁₍₂₎.

Рис. 6.8. Характеристики OП: а) передатні U_вих.max = f(U_вх.max); б) амплітудно-частотні k_U = F(f).

Похилій (лінійній) ділянці відповідає пропорційна залежність вихідної напруги від вхідної. Кут нахилу ділянки визначається коефіцієнтом підсилення k_U операційного підсилювача.

Існує два основних варіанти включення операційного підсилювача: інвертуючий і неінвертуючий. Розглянемо докладніше кожне з них.

Схема інвертуючого підсилювача на основі OП наведена на рис. 6.9. У цій схемі вхідний сигнал подається на інвертуючий вхід OП. Вихідна напруга U_вих інвертована (протифазна) відносно вхідної напруги U_вх.

Рис. 6.9. Схема інвертуючого підсилювача.

Вхідний опір інвертуючого підсилювача дорівнює опору резистора R1. Резистор R_ос забезпечує від'ємний зворотний зв'язок (ВЗЗ) у підсилювачі. Наявність ВЗЗ приводить до того, що різниця потенціалів між входами завжди дорівнює нулю, тобто U₀ = 0 – це друге правило аналізу схем з ОП. При відсутності зворотного зв'язку або наявності ПЗЗ це правило не діє.

Коефіцієнт підсилення за напругою інвертуючого підсилювача з ВЗЗ визначається параметрами тільки пасивної частини схеми

                        k_U = U_вих / U_вх = – R_ос / R₁.

Неінвертуючий підсилювач (рис. 6.10) містить послідовну ВЗЗ за напругою (резистор R_ос), подану на інвертуючий вхід; вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід.

Рис. 6.10. Схема неінвертуючого підсилювача.

Коефіцієнт підсилення за напругою неінвертуючого підсилювача

                        k_U = U_вих / U_вх = 1 + (R_ос / R₁).

При однакових номіналах R_ос і R₁ коефіцієнт підсилення k_Uнеінвертуючого підсилювача більше на одиницю ніж у інвертуючого.

 Загальна схема випрямляча.

       Випрямлячем називають пристрій, який перетворює змінний струм у постійній. Структурна схема перетворення електричної енергії з однофазним випрямлячем наведена на рис.1.

Рис.1.

Трансформатор змінює діюче значення напруги, яка поступає від мережі змінного струму, до величини, необхідної для забезпечення нормальної роботи споживача. Діодна схема перетворює синусоїдальну напругу в пульсуючу однополярну напругу . Згладжуючий фільтр використовується для зменшення пульсацій випрямленої напруги.

    Основними параметрами, що характеризують випрямлячі, є: середнє значення вихідної напруги і струму U_ср, I_ср; зовнішня характеристика - залежність напруги на виході від струму навантаження U_ср=f(I_ср); коефіцієнт пульсації - відношення амплітуди основної гармоніки випрямленої напруги (струму) до середнього значення випрямленої напруги (струму) .

  Принцип роботи і характеристики випрямних схем.

    Випрямленням змінного струму називають перетворення змінної  (гармонічної) напруги промислової частоти 50 Гц на постійну напругу. Реалізує функцію випрямлення електронне коло, яке називають випрямлячем.

      Однопівперіодний випрямляч зумовлює нерівномірне навантаження джерела змінної напруги. Схема випрямляча складається з таких основних елементів: трансформатора, випрямних елементів (діода або декількох діодів) і згладжувального фільтра.Трансформатор змінює діюче значення змінної напруги мережі на змінну напругу, величина якої відповідає заданій величині постійної напруги на виході випрямляча.  Випрямні елементи можуть проводити струм лише в одному напрямі і, отже, перетворюють змінну напругу на пульсуючу. Згладжувальний фільтр призначений для зменшення пульсацій вихідної напруги до допустимого значення. Найпростішою є однопівперіодна схема випрямляча (рис.1, а).

Рис.1. Схема однопівперіодного випрямляча (а)

та часова діаграма його вихідної напруги (б)

           Упродовж додатних півперіодів вхідної напруги (коли діод відкритий) вихідна напруга повторює форму напруги на вторинній обмотці трансформатора, а протягом від’ємних півперіодів діод закритий і не пропускає струму, тому вихідна напруга дорівнює нулеві (див. рис.1, б). Частота пульсацій вихідної напруги однопівперіодної схеми дорівнює частоті мережі f, а сама вихідна напруга містить постійну складову та ряд гармонічних складових з частотами f, 2f, 3f і т.д. Таку схему застосовують при малих струмах і невисоких вимогах стосовно  вихідної напруги.  Недоліком однопівперіодної схеми є наявність постійного підмагнічування трансформатора, що погіршує його параметри. Ефективнішими у плані випрямлення змінного струму є двопівперіодна та мостова схеми випрямляча.У двопівперіодній схеми випрямляча (рис.2, а) діоди відкриваються по черзі у різні половини періоду вхідної напруги. Наприклад, у додатний півперіод вхідної напруги VD1 відкривається і пропускає струм, а діод VD2 у цей час закритий. Під час дії від’ємного півперіоду відкривається VD2, а VD1 закривається. В результаті через опір навантаження струм протікає під час обох півперіодів в одному і тому самому напрямі. Тому вихідна напруга має пульсуючий характер (рис.2, б), але, на відміну від однопівперіодної схеми, частота пульсацій дорівнює 2f.

а

б

Рис.2. Схема двоперіодного випрямляча (а)

та часова діаграма його вихідної напруги (б)

                Постійна складова U₀ вихідної напруги у два рази більша, ніж в однопівперіодній схемі. Частота пульсацій на виході двопівперіодного випрямляча більша удвічі за частоту вхідної напруги. Найчастіше застосовують мостову схему випрямляча (рис.3), перевагою якої порівняно з двопівперіодною схемою є те, що у вторинній обмотці трансформатора немає виводу від середньої точки, тому виготовляти такий трансформатор технологічно простіше. У мостовій схемі (рис.3) діоди попарно відкриваються протягом різних півперіодів. Наприклад, при додатній півхвилі вхідної напруги відкриті діоди VD1 та VD2 (VD3 та VD4 в цей час закриті), а в наступний півперіод відкриваються VD3 та VD4, а VD1 та VD2 закриваються. Часова діаграма вихідної напруги така сама, як і у двопівперіодній схемі (рис.2, б).

        Перевагами двопівперіодної та мостової схем порівняно з однопівперіодною схемою є відсутність постійого підмагнічування трансформатора, а також кращі умови фільтрації вихідної напруги, оскільки частота пульсацій удвічі вища, ніж у однопівперіодної схеми.

        Згладжувальні фільтри випрямлячів вмикають між випрямними елементами та опором навантаження, як показано для мостової схеми.Коефіцієнт пульсацій є відношенням діючого значення змінних складових напруги на виході випрямляча до величини її постійної складової.

Рис.3. Мостова схема випрямляча (а), схема із зглажувальним фільтром (б)

 Завдання: скласти конспект, що містить основні схеми та пояснення до них.

 Контрольне завдання: розглянути і написати принцип роботи і застосування операційних підсилювачів, нарисувати одну практичну схему і пояснити її роботу.
Виконання контрольного завдання  відправляйте на електронну пошту : honor7valera@gmail.com